基于突變理論的化工企業(yè)安全狀態(tài)度量模型構建

鄭琰 高明雪 張福群 毛寧 柳靜獻

(1. 沈陽化工大學環(huán)境與安全工程學院 沈陽 110142； 2. 東北大學資源與土木工程學院 沈陽 110819)

0 引言

化工企業(yè)的危險化學品、重大危險源種類繁多、數(shù)量較大，集中了大量具有毒害性、燃爆性的物質，生產過程大多涉及高溫、高壓或低溫、深冷等危險工藝，增大了化工企業(yè)事故發(fā)生的概率[1-2]。同時，化工企業(yè)發(fā)生事故后容易引起多米諾效應。據(jù)統(tǒng)計，多米諾事故中由火災引發(fā)的事故升級約占50%[3]，而火災爆炸是化工企業(yè)的典型事故類型之一，有38.6%的化工風險事故會引起多米諾事故[4]。一旦引發(fā)多米諾效應，一次事故會發(fā)展成為二次事故甚至更加嚴重的次生事故，波及范圍將會進一步擴大，甚至危及周圍居民，導致更加嚴重的人員傷亡和財產損失。

為協(xié)調經(jīng)濟發(fā)展與安全生產，促進化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有必要對化工企業(yè)的安全狀態(tài)進行系統(tǒng)性研究。

化工安全分析方法在長期的研究應用中得到發(fā)展改進。從傳統(tǒng)的安全檢查表、事故樹分析、事件樹分析等[5]，到基于計算機技術發(fā)展而來的現(xiàn)代分析方法，如層次分析、模糊評價、神經(jīng)網(wǎng)絡評價等[6]，都在化工企業(yè)危險性分析中有著廣泛應用。這些方法的缺點是操作復雜，對個人判斷和主觀經(jīng)驗依賴性較大，缺乏科學性和系統(tǒng)性，使得分析結果的不確定性增加，也缺乏對系統(tǒng)安全的動態(tài)評價，進而影響到結果的客觀性和準確性[2]。

突變理論作為重要的系統(tǒng)經(jīng)濟理論之一，結合定性評價與定量評價，綜合考慮主觀因素和客觀因素的相對重要性，從系統(tǒng)的角度對漸變引發(fā)突變的過程和規(guī)律進行了研究，通過歸一化公式本身的內在作用機理量化確定指標的重要性，可以有效避免主觀性對指標權重的影響，從而保證度量結果更具有客觀性。目前，突變理論在安全分析領域有著較為廣泛的應用。賈寶山等[6]運用突變理論思想建立了煤礦安全狀態(tài)的突變理論評價模型，并進行了實際應用；肖琴等[7]基于突變理論和模糊集提出了機場飛行區(qū)安全風險評價新思路；陳偉珂等[8]建立了建筑工人不安全行為的尖點突變模型，并據(jù)此提出了防范建筑工人不安全行為的措施。同時，也有少數(shù)學者將突變理論應用于化工企業(yè)安全狀態(tài)的度量分析。陳國華等[9]采用尖點突變模型建立了化工園區(qū)熵增、熵減計算模型；林大建等[10-11]通過建立突變模型對化工園區(qū)風險容量進行了量化，還利用蝴蝶型突變理論建立了化工儲存單元的突變級數(shù)數(shù)學模型；裴甲坤等[12]構建了基于尖點突變理論的化工事故致因模型。

上述研究主要利用突變理論對化工園區(qū)或企業(yè)的某個單元進行安全分析，而對于化工企業(yè)整體安全狀態(tài)的研究較少。本文將突變理論應用于化工企業(yè)整體安全狀態(tài)度量評價，具有重要的探索意義。

1 化工企業(yè)生產安全事故突變特征分析

突變模型具有突跳性、雙模態(tài)性、不可達性、滯后性和發(fā)散性等5個基本特征，系統(tǒng)一般具有上述兩個及以上特征時就滿足了突變理論分析的要求[13]。在具體應用分析中，首先明確系統(tǒng)具有突變特征，然后根據(jù)控制變量數(shù)量選擇突變模型，最后再以此為基礎進行后續(xù)具體分析。

(1)突跳性?；て髽I(yè)存在多種危險有害因素，危險受控即安全，危險失控會導致事故發(fā)生?？刂谱兞康淖兓瘯够は到y(tǒng)狀態(tài)瞬間改變，由安全變?yōu)槭鹿?，所以化工生產安全事故的突跳性即事故的突發(fā)性。

(2)雙模態(tài)性?；て髽I(yè)事故發(fā)生前后呈現(xiàn)出兩種狀態(tài)，事故前是危險受控、相對穩(wěn)定狀態(tài)，事故后是危險失控、有序穩(wěn)定的系統(tǒng)被破壞，與突變理論的雙模態(tài)性相符。

(3)不可達性。突變理論模型中分布著穩(wěn)定點和不穩(wěn)定區(qū)域，穩(wěn)定點屬于不能達到的位置，也就是不可達點，所謂的系統(tǒng)“突變”即是在系統(tǒng)演變過程中跨越這些不可達點?；どa事故具有很強的突發(fā)性，危險有害因素在演變成為事故、再經(jīng)歷發(fā)展、最后造成嚴重后果的過程中，不能達到的平衡位置存在于安全控制系統(tǒng)中，與突變模型相一致。

(4)滯后性。當控制變量的狀態(tài)變化停止時，突變結果不會隨之立即終止。如化工企業(yè)工作人員使用明火等不安全行為，能導致火災爆炸事故，即引發(fā)系統(tǒng)突變，當停止這些行為時，火災爆炸事故不會立即終止。

(5)發(fā)散性。系統(tǒng)狀態(tài)的突變可能由多種控制變量的變化引發(fā)，如化工生產中的火災爆炸事故可由可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)失效、工作人員不安全行為等引起。

綜上分析，化工企業(yè)生產安全事故符合突變模型特征，可運用突變模型分析度量化工企業(yè)安全狀態(tài)。

2 突變理論的基本原理及化工企業(yè)安全狀態(tài)度量模型構建

2.1 突變理論的基本原理

突變理論以拓撲概念為基礎，以系統(tǒng)結構穩(wěn)定性為研究對象，已發(fā)展成為一種新的數(shù)學理論并成為不確定事件風險評估的有效方法。對于存在多種屬性的決策性問題，一般評價方法需要對各指標權重進行確定，而突變理論通過指標歸一化度量確定各指標之間的重要性，可以有效避免主觀性對指標權重的影響，從而保證度量結果更具有客觀性。

在現(xiàn)有的7種初等突變模型中，3種較為常用的是蝴蝶、燕尾、尖點突變，如表1所示。

表1 3種常用突變模型[9]

運用突變理論進行分析時，隸屬度值、總隸屬函數(shù)值由表1中歸一化公式遞歸計算求得。多數(shù)突變屬于非單一目標情況，控制變量之間的關系存在兩種：①相互彌補不足或替代，稱為互補；②相互不可代替或彼此不能彌補不足，稱為非互補。針對兩種不同的情況，所采用的計算原則也不盡相同[13]。對于互補關系，系統(tǒng)狀態(tài)變量值等于各控制變量取值的平均值；對于非互補關系，狀態(tài)變量值取各控制變量取值中的最小值。

2.2 化工企業(yè)安全狀態(tài)度量模型的構建2.2.1 指標體系構建

參考相關文獻及專家意見[1,14-16]，結合化工企業(yè)實際情況，以安全系統(tǒng)工程為依據(jù)，將化工企業(yè)安全狀態(tài)的影響因素劃分為4個二級指標，分別是人、物、環(huán)境、管理，并依次逐級分解，構建了化工企業(yè)安全狀態(tài)影響指標體系，如表2所示。

2.2.2 指標分級標準

結合突變模型及化工企業(yè)危險特點，參考相關標準規(guī)范并結合專家意見，將化工企業(yè)安全狀態(tài)按安全程度從低到高分為5個等級，如表3所示；影響指標按分值范圍分為5個等級，如表4所示。

表2 化工企業(yè)安全狀態(tài)影響指標體系

表3 化工企業(yè)安全狀態(tài)分級標準

表4 指標分級標準

2.2.3 原始數(shù)據(jù)的無量綱化處理

指標無量綱化便于直接比較，依照式(1)、式(2)[13]進行。

正向指標，即越大越好：

(1)

負向指標，即越小越好：

(2)

式中，xmax、xmin分別為最大、最小臨界值；xi為原始值；yi為無量綱化處理后的指標值。

2.2.4 突變模型的確定

各層級指標所屬的突變類型由其分解的指標數(shù)量確定，因同一級指標之間可以彌補上一級指標影響的不足，因此符合互補性原則。據(jù)此，構建化工企業(yè)安全狀態(tài)突變模型如圖1所示。

3 實例應用

3.1 企業(yè)概況

某化工企業(yè)采用氧化脫氫法年產5 000 t甲醛。通過企業(yè)提供的資料及現(xiàn)場調研，詳細了解了該企業(yè)周邊環(huán)境及平面布置、生產工藝、裝置、儲存設施、人員配置、企業(yè)制度等基本情況(篇幅所限，在此不贅述)。

3.2 指標分值的確定

按照表4確定的評分標準，邀請5位安全和化工等行業(yè)專家進行打分評價，結果如表5所示。

表5 指標專家打分結果

3.3 評分結果的無量綱化處理

專家打分的原則是安全狀態(tài)越好則分值越高，因此均為正向指標，采用式(1)進行計算，所有四級指標評分標準化結果如表6所示。

3.4 基于突變理論的化工企業(yè)安全狀態(tài)度量

根據(jù)表1中的歸一化公式和互補性原則，對化工企業(yè)安全狀態(tài)突變模型(圖1)進行計算處理，分別求得突變級數(shù)值xD1～xD24、xC1～xC9、xB1～xB4和指標值yC1～yC9、yB1～yB4，最終求出總突變隸屬函數(shù)值xA=0.968 6，如表6所示。

圖1 化工企業(yè)安全狀態(tài)突變模型

表6 某化工企業(yè)安全狀態(tài)度量結果

續(xù)表6

3.5 度量分析方法的優(yōu)化

對照表3，總突變隸屬函數(shù)值xA=0.968 6對應安全等級為極高，但該安全水平與實際情況偏差較大，故而不能將上述計算結果直接作為度量安全狀態(tài)的依據(jù)。因為突變模型中的底層指標值是有絕對意義的，能直接反映出實際情況，但經(jīng)過逐級遞歸運算后，計算結果變大、差距縮小，與實際情況偏離較大。如分別假設四級指標隸屬度值都為0.1和1.0，經(jīng)過計算，此時總突變隸屬函數(shù)值分別為0.897 2和1.0，差距明顯縮小，不符合實際情況，即遞歸計算結果不能作為絕對的“好”“壞”表征。為了對安全狀態(tài)等級直接進行度量，需要將其轉變?yōu)橐环N具有絕對意義的數(shù)值。

采用如下過程對前述度量方法進行優(yōu)化，用M表示指標隸屬度值，對其取值進行假設，計算出對應的總突變隸屬函數(shù)值xA，結果如表7所示。

表7 總突變隸屬函數(shù)值與隸屬度值的對應關系

將表7中的數(shù)據(jù)進行擬合處理，如圖2所示。擬合公式為

(3)

該企業(yè)總突變隸屬函數(shù)值優(yōu)化后為MA=0.514 2，此時安全級別為III級，屬于“一般”安全，符合實際情況。

3.6 結果綜合分析

按照所構建的化工企業(yè)安全狀態(tài)度量模型以及分析步驟，對某化工企業(yè)進行安全狀態(tài)分析，確定該企業(yè)安全狀態(tài)級別為III級，即“一般”安全。根據(jù)該企業(yè)安全狀態(tài)度量結果(表6)，二級指標值yB4最低，為0.878 1，據(jù)此分析管理因素為該企業(yè)安全工作中的薄弱環(huán)節(jié)，下一步需重點提高安全和應急管理水平，加強企業(yè)安全管理工作。

圖2 總突變隸屬函數(shù)值與隸屬度值的擬合曲線

4 結論

(1)基于突變理論的原理和特征，對化工企業(yè)生產安全事故過程進行分析，判定其符合突變過程的特征，因此基于突變理論構建化工企業(yè)安全狀態(tài)度量模型合理可行。

(2)構建了化工企業(yè)安全狀態(tài)影響指標體系，建立了化工企業(yè)安全狀態(tài)度量的突變模型。

(3)應用構建的模型進行實際化工企業(yè)安全狀態(tài)分析，結果表明計算過程合理可行且簡單方便。針對突變模型分析中存在的計算結果變大、差距變小的缺點，對度量方法進行了優(yōu)化，通過總突變隸屬函數(shù)值的擬合轉換計算，使結果更加科學合理。根據(jù)分析結果可準確掌握企業(yè)安全狀態(tài)，充分了解實際安全水平及薄弱環(huán)節(jié)，及時采取有針對性的安全對策措施。